Tom 59

2010

Numer 1–2 (286–287)

Strony

83–90

M

ichał

B. P

onczek

Katedra Biochemii Ogólnej

Wydział Biologii i Ochrony Środowiska

Uniwersytet Łódzki

Banacha 12/16, 90-237 Łódź

E-mail:

[e-mail]

EWOLUCJA UKŁADU HEMOSTAZY KRĘGOWCÓW

WPROWADZENIE

Układ hemostazy odpowiada u kręgow-

ców za delikatną równowagę pomiędzy

krzepnięciem krwi z jednej strony, a rozpusz-

czaniem zakrzepów z drugiej. Wiele z białek

zaangażowanych w ten system należy do ro-

dziny proteaz serynowych — enzymów przeci-

nających wiązania peptydowe w innych biał-

kach, których aktywność zależy od obecności

w centrum aktywnym trzech blisko położo-

nych przestrzennie reszt aminokwasów – se-

ryny, histydyny i asparaginianu – zwanych

triadą katalityczną. Proteazy układu hemostazy

nie przeprowadzają całkowitego trawienia, ale

jedynie niewielkie modyfikacje innych białek,

zwykle następnych zymogenów proteaz sery-

nowych, które w ten sposób zostają aktywo-

wane. Aktywne enzymy działają na kolejne

zymogeny, w skutek czego powstaje złożona

sieć przekazywania i wzmacniania sygnału.

Niewielka ilość cząsteczek eksponowanych w

wyniku uszkodzenia tkanek uruchamia lawi-

nową odpowiedź, która prowadzi do aktywa-

cji fibrynogenu i tworzenie polimeru fibryny

(włóknika). Niemalże równocześnie urucha-

miany jest mechanizm przeciwny, obejmujący

różnorakie inhibitory oraz czynniki fibryno-

lizy, którego rolą jest zapewnienie kontro-

li krzepnięcia i ostatecznie rozkład fibryny,

wtedy gdy czop włóknika jest już zbyteczny.

W procesie hemostazy bardzo ważną rolę od-

grywają płytki krwi, bezjądrzaste u ssaków,

lub trombocyty, jądrzaste, u pozostałych krę-

gowców oraz śródbłonek naczyniowy (ł

oPa

-

ciuk

i B

iederMan

2001).

Kaskadowy mechanizm zestalania i kon-

troli płynności krwi jest niezwykłym osią-

gnięciem ewolucyjnym kręgowców, którego

wyłonienie się umożliwiło efektywną ochro-

nę przed utratą płynów ciała oraz skutecz-

niejszą obronę przed wnikaniem patogenów.

(a

ird

2003). Czy można jakoś poznać ewo-

lucję tego układu? W jaki sposób doszło do

powstania tak niezwykłego systemu kontroli

płynności i zestalania krwi u kręgowców? Na

te pytania podjęta zostanie próba udzielenia

odpowiedzi w tym artykule, w oparciu o naj-

nowsze publikacje naukowe. Wcześniej jed-

nakże zostanie omówiona budowa domeno-

wa wybranych czynników hemostazy, gdyż

znacznie ułatwi to zrozumienie problemów

związanych z badaniem ewolucji tej grupy

białek.

Wykaz skrótów i nazw angielskojęzycznych: BLAST — the Basic Local Alignment Search Tool (tłum. podstawowe

narzędzie dopasowania sekwencji); EGF — Epidermal Growth Factor (tłum. czynnik wzrostu naskórka); FRED —

Fibrinogen REleted Domain (tłum. domena „fibrynogenopodobna”); GLA — Gamma-carboxygLutamic Acid-rich

domain (tłum. domeny bogate w kwas gamma-karboksyglutaminowy); HGF — Hepatocyte Growth Factor (tłum.

czynnik wzrostu hepatocytów); HGFA — Hepatocyte Growth Factor Activator (tłum. aktywator czynnika wzro-

stu hepatocytów); NCBI — National Center for Biotechnology Information (tłum. narodowe centrum informacji

biotechnologicznej); PAN — Protein Apple domaiN (tłum. białkowa domena jabłkowa); PFAM — Protein FAMilies

Data Base (tłum. baza rodzin białkowych); PROSITE — PROtein SITE (tłum. miejsce / strona białek); SMART — Sim-

ple Modular Architecture Research Tool (tłum. proste narzędzie badań architektury modularnej); TSP1 — Throm-

boSPondin type 1 repeats (tłum. powtórzenia trombospondynowe typu 1).

84

M

ichał

B. P

onczek

Domeny charakterystyczne dla czynników

hemostazy występują także w innych biał-

kach, pełniących całkiem odmienne funkcje.

Wymienić tutaj można dość powszechne do-

meny EGF i FN, ale także domenę ferroksyda-

zy zależnej od miedzi (domena F5/8 typu A),

która występuje w czynnikach krzepnięcia

krwi V i VIII, w białku osocza krwi cerulo-

plazminie oraz w białku błonowym nabłonka

jelit hefajstynie (Ryc. 1). Domena dyskoidy-

nowa, nazywana także domeną F5/8 typu C,

charakterystyczna dla czynników krzepnięcia

krwi V i VIII (J

iang

i d

oolittle

2003), wy-

stępuje również w licznych białkach błono-

wych, między innymi w neuropilinach (k

ie

-

dzierska

i współaut. 2007).

Bardzo liczną grupę czynników hemosta-

zy stanowią enzymy o charakterze proteaz

serynowych. Proteazy serynowe układu he-

mostazy charakteryzują się złożoną budową

domenową, a każde z tych białek posiada kil-

ka domen należących do różnych rodzin biał-

kowych (Ryc. 1). Największą jest, zlokalizo-

wana na C-końcu białka, domena odpowiada-

jąca za aktywność proteolityczną. Nazywana

jest zwykle domeną trypsynową, ze względu

na podobieństwo do dobrze znanego enzy-

mu trawiennego trypsyny.

Proteazy serynowe układu hemostazy po-

siadają dodatkowo różnorodne domeny, po-

dążając od N-końca. Jedną z ważniejszych

jest GLA, zawierająca reszty modyfikowane-

go aminokwasu — kwasu γ-glutaminowego.

Do prawidłowego działania białka posiada-

jącego taką domenę konieczna jest witami-

na K, gdyż związek ten jest kofaktorem en-

zymu γ-karboksylazy, odpowiadającego za

modyfikację aminokwasu glutaminianu do

γ-glutaminianu. Do białek krzepnięcia posia-

dających domenę GLA, należą: protrombina,

czynnik VII, czynnik IX i czynnik X, białko

C, białko S i białko Z. Domena trypsynowa

białka Z jest nieaktywna, z powodu braku

seryny i histydyny w miejscach odpowiada-

jących triadzie katalitycznej, a białko S takiej

domeny w ogóle nie posiada, gdyż nie jest

proteazą (J

iang

i d

oolittle

2003).

Pozostałe N-końcowe domeny, występu-

jące w proteazach układu hemostazy, to: do-

meny kringlowe, palce fibronektynowe (FN-

1, FN-2 i FN-3), domeny czynnika wzrostu

naskórka (EGF) i domeny jabłkowe (PAN).

Domeny kringlowe są charakterystyczne dla

protrombiny, czynnika XII, plazminogenu

oraz tkankowego i urokinazowego aktywa-

tora plazminogenu (t-PA i u-PA). Domeny

EGF występują we wszystkich proteazach

serynowych układu hemostazy za wyjątkiem

protrombiny, plazminogenu, czynnika XI i

prekalikreiny osoczowej. Domeny PAN wy-

stępują w czterech kopiach w czynniku XI i

prekalikreinie oraz w jednym powtórzeniu w

plazminogenie (J

iang

i d

oolittle

2003).

Ryc. 1. Budowa domenowa czynników układu
hemostazy oraz ceruloplazminy i hefajstyny.

Domeny: T — domeny trypsynowe (proteazy sery-
nowej); P — domeny jabłkowe (PAN); K — domeny
kringlowe; F — domeny fibronektynowe; E — dome-
ny czynnika wzrostu naskórka (EGF); A — domeny
ferroxydazy zależnej od miedzi (domeny F5/8 typu
A); B — domena F5/8 typu B; C – domeny dyskoidy-
nowe (domeny F5/8 typu C).

BUDOWA DOMENOWA BIAŁEK HEMOSTAZY

BADANIE EWOLUCJI HEMOSTAZY

Początki poznawania podstaw bioche-

micznych układu hemostazy człowieka się-

gają XIX w., lecz sam proces ewolucji krzep-

nięcia krwi kręgowców badany jest zaledwie

od ponad pół wieku. Wkrótce po ustaleniu

sekwencji aminokwasowej niektórych czyn-

ników hemostazy zauważono, że pewne z

nich wykazują podobieństwo do innych, nie

85

Ewolucja układu hemostazy kręgowców

niu odpowiadającego składnika u człowieka

(d

oolittle

1993). Trzecia strategia możliwa

stała się dzięki rozwojowi metod genetyki

molekularnej i obejmuje klonowanie moleku-

larne oraz sekwencjonowanie DNA. Czwarte

podejście to metody bioinformatyczne, które

możliwe stały się dzięki rozwojowi informa-

tyki oraz przyrostowi mocy obliczeniowej i

pamięci komputerów. Bez trzeciej strategii

nie stałoby się to możliwe, w tym bez pro-

gramów badawczych obejmujących sekwen-

cjonowania całych genomów różnych orga-

nizmów. Metody komputerowej analizy se-

kwencji DNA i kodowanych przez nie białek

umożliwiają rekonstruowanie ewolucji ukła-

du hemostazy

in silico, ograniczając kosztow-

ne badania

in vitro czy ex vivo.

tylko w obrębie poszczególnych domen, ale

także bardzo często w kolejności ich wystę-

powania. Jako przyczynę takich podobieństw

uznano duplikację genów u dawnych przod-

ków współczesnych organizmów (d

oolittle

1993).

Odkrywanie kolejnych tajników wyłania-

nia się układu hemostazy stało się możliwe

dzięki zastosowaniu czterech strategii badaw-

czych. W dwóch pierwszych poznawane były

mechanizmy krzepnięcia krwi „prostszych”

zwierząt, z zastosowaniem metod bioche-

micznych, a wyniki porównywano z wcze-

śniej zgromadzoną wiedzą o krzepnięciu

krwi człowieka. Kolejne podejście opierało

się na oczyszczeniu każdego z czynników

układu hemostazy, określeniu jego właści-

wości chemicznych, a następnie znalezie-

PRZESZUKOWANIE SEKWENCJI GENOMOWYCH

W pełni zsekwencjonowane genomy stru-

nowców: żachwy, lancetnika, minoga, ryb —

rozdymki tygrysiej (

Takifugu rubripes) i da-

nio pręgowanego (

Danio rerio), żab (Xeno-

pus tropicalis, Xenopus laevis), zielonej jasz-

czurki amerykańskiej (

Anolis carolinensis),

kury, dziobaka (

Ornithorhynchus anatinus),

i oposa

(Monodelphis domestica) (Ryc. 2) zo-

stały użyte jako baza danych w poszukiwaniu

odpowiedników około 20 różnych genów

związanych z układem hemostazy człowieka

i myszy (J

iang

i d

oolittle

2003, d

oolittle

i współaut. 2008, P

onczek

i współaut. 2008,

d

oolittle

2009).

Procedura znajdowania homologów bia-

łek hemostazy rozpoczyna się od zlokalizo-

wania potencjalnych genów w bazach geno-

mowych za pomocą algorytmu BLAST, przy

użyciu znanych sekwencji człowieka lub in-

nych ssaków jako wzorców. Sekwencje naj-

lepszych „trafień” zostają zweryfikowane po-

przez zastosowanie ich jako matryc w prze-

szukiwaniach programem BLAST względem

bazy białek NCBI. Jeśli taka dodatkowa pro-

cedura zwróci wyjściowe białko wzięte jako

wzorzec, można przyjąć, że wynik jest prawi-

dłowy. Dodatkowym potwierdzeniem będzie

identyczność budowy domenowej szukanego

białka, co można szybko sprawdzić, na pod-

stawie sekwencji, za pomocą takich narzędzi

jak PROSITE (http://www.expasy.ch/prosi-

te/), PFAM (http://pfam.sanger.ac.uk/), czy

SMART

(http://smart.embl-heidelberg.de/).

Jeśli jednakże inne białka dają lepsze wyni-

ki, mamy do czynienia raczej z paralogiem –

spokrewnionym białkiem, ale najprawdopo-

dobniej o innej pełnionej funkcji (d

oolittle

2009).

Niestety strategia taka nie jest pozbawio-

na błędów. Nie wszystkie bazy genomowe są

kompletne i nie zawsze wszystkie fragmenty

sekwencji są prawidłowo zestawione (asem-

Ryc. 2. Związki filogenetyczne pomiędzy stru-
nowcami — dywergencja poszczególnych grup
organizmów i wyłanianie się kolejnych elemen-
tów hemostazy.

A — 1 pojawienie się czynnika tkankowego, trom-
biny i prostej odpowiedzi komórkowej; — 2 wyło-
nienie się fibrynogenu oraz czynników X i VIII; B
— duplikacje prowadzące do powstania czynnika IX
z X i VIII z V; C — pojawienie się czynnika XII i pre-
kalikreiny; D — wykształcenie aktywacji krzepnięcia
krwi poprzez czynniki kontaktu — duplikacja prowa-
dzi do oddzielenia czynnika XI od prekalikreiny.

86

M

ichał

B. P

onczek

twe jest często odróżnienie, badając bazy ge-

nomów, ortologów, faktycznych odpowiedni-

ków szukanych białek, od paralogów, białek

homologicznych, ale wyspecjalizowanych do

pełnienia odmiennych funkcji w organizmie

(d

oolittle

2009).

blowane). Łatwiej stwierdzić występowa-

nie jakiegoś genu niż udowodnić jego brak.

Szybkość utrwalania mutacji, i co za tym

idzie ewolucji po duplikacji genu, nie zawsze

jest taka sama względem genów potomnych.

Trudno jest więc czasami ustalić relacje po-

krewieństwa między białkami. Dlatego nieła-

OBECNY OBRAZ EWOLUCJI UKŁADU HEMOSTAZY

Poczynając od gromady kręgoustych, a

kończąc na ssakach, krzepniecie krwi zacho-

dzi, gdy proteaza serynowa trombina prze-

kształca rozpuszczalny fibrynogen w nieroz-

puszczalną fibrynę (Ryc. 3). Sama trombina

jest produktem proteolitycznego przekształ-

cenia protrombiny, co możliwe jest po akty-

wacji kaskady czynników krzepnięcia (B

loM

-

Back

1996).

Obecność trombiny i jej aktywację przez

proteazy serynowe zależne od witaminy K,

stabilizację fibrynogenu przez czynnik XIII

oraz fibrynolizę stwierdzono nawet u bez-

żuchwowców (minóg morski

Petromyzon

marinus) — najbardziej prymitywnych przed-

stawicieli kręgowców (d

oolittle

1965)

. Opi-

sanych

mechanizmów brak jest u prostych

strunowców, takich jak lancetnik (na przy-

kładzie gatunku

Branchiostoma floridae) czy

żachwa (na przykładzie gatunku

Ciona inte-

stinalis) oraz u bezkręgowców (d

oolittle

1993).

Badania genomów prostych strunowców

na przykładzie lancetnika i żachwy wykazały,

mimo występowania genów zawierających

domeny analogiczne do fibrynogenu (FRED)

oraz kilku proteaz bardzo podobnych do

protrombiny, że żadne z nich nie są praw-

dziwym fibrynogenem i prawdziwą, funkcjo-

nalną protrombiną (d

oolittle

2009). Białka

„trombinopodobne” cechuje dość duże, oko-

ło 40% podobieństwo sekwencyjne w obrę-

bie domeny trypsynowej, ale brak jest typo-

wych domen N-końcowych, w szczególności

domeny GLA. Obecna jest także u lancetnika

proteaza serynowa z dwukrotnie powtarza-

jącymi się N-końcowymi domenami kringlo-

wymi, z domeną trypsynową w około 43%

podobną do domeny proteazowej plazmino-

genu (5 domen kringlowych) i do niefunk-

cjonalnej domeny trypsynowej apolipoprote-

iny A (50 domen kringlowych) u człowieka

(d

oolittle

2009). Podobieństwo do czynni-

ka IX, protrombiny i czynnika wzrostu he-

patocytów (HGF) wynosi odpowiednio 39%,

34% i 33%. Na uwagę zwracają pewne podo-

bieństwa do plazminogenu ssaków, takie jak:

miejsce aktywacji przez tkankowy aktywator

plazminogenu

in silico i aktywacja rekombi-

nowanego białka przez urokinazowy aktywa-

tor plazminogenu człowieka

in vitro. Opisa-

ne białko lancetnika posiada dwie domeny

kringlowe zawierające miejsca wiążące lizynę

(cecha typowa dla plazminogenu, choć biał-

ko kręgowców posiada o trzy domeny krin-

glowe więcej), nie ma domeny PAN i praw-

dopodobnie pełni nieco odmienną funkcję

niż plazminogen kręgowców (brak fibryno-

Ryc. 3. Schematyczne przedstawienie układu
hemostazy człowieka.

F — czynniki krzepnięcia krwi, FBG — fibrynogen,
FBN — fibryna, FBX — fibryna stabilizowana przez
czynnik XIII, FDP — produkty degradacji fibryny,
FDPX — produkty degradacji fibryny stabilizowanej,
KNG — wielkocząsteczkowy kininogen, PK — preka-
likreina osoczowa, PL — fosfolipidy, PLG — plazmino-
gen, PLN — plazmina, t-PA — tkankowy aktywator pla-
zminogenu, u-PA — urokinazowy aktywator plazmino-
genu. Procesy związane z krzepnięciem linie ciągłe,
procesy związane z fibrynolizą linie przerywane.

87

Ewolucja układu hemostazy kręgowców

Ryby kostnoszkieletowe mają już wyod-

rębnione dwie pary czynników, odpowied-

nio IX i VIII oraz X i V (J

iang

i d

oolittle

2003).

Omówione wcześniej grupy kręgowców

nie posiadają w ogóle tzw. układu kontaktu,

czyli czynnika XII, XI i prekalikreiny osoczo-

wej oraz wielkocząsteczkowego kininogenu.

U ryb występuje jednakże gen białka homo-

logicznego do aktywatora czynnika wzrostu

hepatocytów (HGFA), który jest paralogiem

czynnika XII u człowieka (P

onczek

i współ-

aut. 2008). Znaleziono także u ryb kininogen

podobny do białka ssaków, jednakże bez seg-

mentu bogatego w histydynę, który jest nie-

zbędny do aktywności w układzie kontaktu.

Sekwencja taka pojawia się po raz pierwszy

dopiero u płazów (z

hou

i współaut. 2008).

Gen czynnika XII jest obecny u płazów, ga-

dów, ssaków łożyskowych i oposa (przed-

stawiciela torbaczy), natomiast brak go u

kury. Paralogi — czynnik XII i HGFA — po-

łożone są u ssaków na odrębnych chromo-

genu u prymitywnych strunowców), mimo

że dla gatunku lancetnika

Branchiostoma

belcheri tsingtauense zostało sklonowane i

zapisane w bazach danych pod nazwą „pla-

zminogen” (l

iu

i z

hang

2009). Osłonice,

do których należą żachwy, zostały ostatnio

uznane, na podstawie badań genetycznych,

za bliżej spokrewnione z kręgowcami, niż

strunogłowe (bezczaszkowce), do których

zalicza się lancetnik (P

utnaM

i współaut.

2008). Także w tej grupie zwierząt nie udało

się wykryć fibrynogenu i trombiny, chociaż

wiadomo, że organizmy te utraciły wiele ge-

nów przechodząc do osiadłego tryby życia

(genom lancetnika 540 MB — genom żachwy

330 MB). U żachwy

Ciona intestinalis wy-

stępuje jednakże, jak u lancetnika, dwukrin-

glowe białko „plazminogenopodobne” (J

iang

i d

oolittle

2003). Białko to w odróżnieniu

od plazminogenu kręgowców, zamiast do-

meny PAN na N-końcu, posiada powtórzenia

trombospondynowe typu 1 (TSP1), a dome-

na trypsynowa podobna jest w 39% do ana-

logicznej domeny plazminogenu. Niestety

brak jest obecnie danych na temat funkcji

biologicznej białek podobnych do plazmino-

genu u prymitywnych strunowców.

Od dawna wiadomo, że minóg, którego

dywergencja nastąpiła przed pojawieniem

się kręgowców żuchwowych, posiada fi-

brynogen i trombinę (c

ottrell

i d

oolittle

1976). Badania bioinformatyczne zsekwen-

cjonowanego genomu minoga umożliwiły

ustalenie, że u tego bezżuchwowca kaskada

krzepnięcia wydaje się być nieco prostsza

(d

oolittle

i współaut. 2008). Minóg posia-

da czynnik tkankowy oraz czynnik VII, ale

czynniki V i VIII mają u tego organizmu tyl-

ko jeden odpowiednik funkcjonalnie odpo-

wiadający czynnikowi V, choć aż w trzech

homologicznych kopiach. Odpowiednio dla

czynnika IX i X występuje jeden prekursor,

czynnościowo odpowiadający czynnikowi X,

choć w dwóch wariantach (d

oolittle

2009).

U ssaków czynniki IX i VIII oraz X i V two-

rzą kompleksy, zatem u bezżuchwowców

jest tylko jedna taka para. U bezżuchwow-

ców istnieje prawdopodobnie uproszczony

system aktywacji krzepnięcia krwi (Ryc. 4),

odpowiadający mechanizmom występującym

u wyższych kręgowców, dawniej zwanym ze-

wnątrzpochodnym szlakiem aktywacji krzep-

nięcia krwi. Począwszy od minoga, pojawiają

się elementy układu fibrynolizy — „pełnodo-

menowy” plazminogen, oraz prawidłowe ak-

tywatory tego białka – tkankowy i urokinazo-

wy (d

oolittle

i współaut. 2008).

Ryc. 4. Hipotetyczny prostszy układ hemostazy
minoga.

F — czynniki, FBG — fibrynogen, FBN — fibryna, FBX
— fibryna stabilizowana, FDP — FDPX — produkty
degradacji fibryny, FDPX — produkty degradacji fi-
bryny stabilizowanej, PL — fosfolipidy, PLG — pla-
zminogen, PLN — plazmina, t-PA — tkankowy akty-
wator plazminogenu, u-PA — urokinazowy aktywator
plazminogenu. Procesy związane z krzepnięciem li-
nie ciągłe, procesy związane z fibrynolizą linie prze-
rywane.

88

M

ichał

B. P

onczek

Tabela 1. Występowanie genów wybranych proteaz hemostazy i ich paralogów wśród kręgow-
ców.

Organizm

Czynnik IX

Czynnik X

Czynnik XI

Prekalikreina

Czynnik XII

HGFA

Człowiek

Opos

Dziobak

Kura

Jaszczurka

Żaba

Danio

Fugu

Minóg

+

+

+

+

+

+

+

+

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

–

–

–

+

+

+

–

+

+

–

–

–

+

+

+

+

+

+

?

+

+

PODSUMOWANIE

somach, a u żaby

Xenopus znaleziono je na

odrębnych fragmentach sekwencjonowanego

DNA. W przypadku ptaków doszło do utraty

genu dla czynnika XII (P

onczek

i współaut.

2008). Jest to w zgodzie z ponad stuletnimi

obserwacjami wydłużonego czasu krzepnię-

cia krwi na drodze kontaktu u kury oraz z

niedawnymi badaniami biochemicznymi u

sępa i strusia (F

rost

i współaut. 1999, W

eir

i współaut. 2004).

Jeśli chodzi o pozostałe proteazy kontak-

tu, pojedynczy gen, odpowiadający przodko-

wi czynnika XI i prekalikreiny, znaleziono u

żaby, kury i dziobaka. Białko to przypomina

prekalikreinę ssaków łożyskowych, ponie-

waż w czwartej domenie PAN posiada dwie

zachowane reszty cysteinowe (321 i 326

wg. numeracji człowieka), które tworzą we-

wnątrzłańcuchowe

wiązanie

disulfidowe.

Czynnik XI w pozycji odpowiadającej Cys

326 prekalikreiny posiada glicynę, a obec-

ność niesparowanej Cys 321 daje nową ewo-

lucyjnie własność formowania przez to biał-

ko homodimerów. Co więcej, podobnie jak

w prekalikreinie, w trzeciej domenie PAN

brakuje sekwencji koniecznych do wiązania

z płytkami krwi, kolejnej cechy charaktery-

stycznej dla czynnika XI. Opos posiada po-

dobnie do ssaków łożyskowych zarówno pre-

kalikreinę jak i czynnik XI. Identycznie jak u

człowieka, geny paralogów PK i FXI położo-

ne są jeden za drugim na tym samym chro-

mosomie, wskazując na duplikację lokalną

(P

onczek

i współaut. 2008).

Niezwykle skomplikowane układy białek

są efektem wielu serii duplikacji, mutacji i ta-

sowania domen w obrębie genomów przod-

ków współcześnie istniejących organizmów.

Fibrynogen, kluczowe białko krzepnięcia wy-

stępuje tylko u kręgowców. Nie udało się go

wykryć u pierwotnych strunowców takich

jak lancetnik, czy żachwa zarówno w bada-

niach biochemicznych jak i bioinformatycz-

nych. Można zatem przyjąć, że polimeryzacja

fibrynogenu, zapoczątkowana trombiną po-

jawiła się w okresie około 50-100 milionów

lat pomiędzy pojawieniem się prymitywnych

strunowców a wyodrębnieniem się bezżu-

chwowców (d

oolittle

2009). Cały skompli-

kowany system regulacji układu hemostazy

człowieka i innych ssaków zaczął się kształto-

wać około 450 milionów lat temu (d

avidson

i współaut. 2003). W pełni ukształtowana

aktywacja przez kontakt (dawniej wewnątrz-

pochodny szlak aktywacji krzepnięcia krwi)

jawi się jako najmłodsze ewolucyjnie osią-

gniecie ssaków (Ryc. 1). W prostszym syste-

mie minoga jest mniej potencjalnych miejsc

regulacji hemostazy. W złożonym układzie

ssaków, występują nowe szlaki aktywacji i

hamowania krzepnięcia oraz fibrynolizy. Być

może u wspólnego przodka bezżuchwow-

ców i żuchwowców istniał jeszcze prostszy

system w którym ortolog trombiny bezpo-

średnio aktywował trombocyty, a te zlepiając

się hamowały krwawienie (d

oolittle

2009).

Pojawienie się fibrynogenu umożliwiło, poza

interakcjami międzykomórkowymi, tworze-

89

Ewolucja układu hemostazy kręgowców

hemostazy jest doskonałym przykładem wyła-

niania się coraz większej złożoności w wyni-

ku ewolucji, a jego pełniejsze poznanie przy-

czyni się do lepszego zrozumienia formowa-

nia się coraz bardziej skomplikowanych me-

chanizmów zachodzących w żywych istotach.

Praca ta nie powstałaby bez krótkotermi-

nowego programu stypendialnego Europej-

skiej Organizacji Biologii Molekularnej (ang.

EMBO Short-Term Fellowship) oraz opieki

Russela Doolittle’a, w trakcie odbywania trzy-

miesięcznego stażu po-doktorskiego ASTF

83.00–2008 na UCSD (ang. University of Ca-

lifornia, San Diego).

nie dodatkowej „stałej masy” czopującej ranę.

Dalsza komplikacja systemu doprowadziła do

wykształcenia obecnego systemu hemostazy

ssaków (Ryc. 5). Badania

in silco genomów

strunowców dostarczyły interesujących in-

formacji na temat pojawiania się kolejnych

elementów układu hemostazy, lecz nie są w

stanie całkowicie zastąpić badań

in vitro i

in vivo. Brak jest nadal dokładnej wiedzy na

temat różnic w funkcjonowania tego układu

u niższych i wyższych kręgowców. Nielicz-

ne badania biochemiczne dostarczają jedy-

nie ogólnych danych na ten temat. Nowe

informacje, uzyskane metodami bioinforma-

tycznymi, pozwalają zaplanować kolejne do-

świadczenia laboratoryjne. Powstanie układu

Ryc. 5. Ewolucja układu hemostazy z uwzględ-
nieniem udziału wyspecjalizowanych komórek.

U hipotetycznego przodka ortolog trombiny w obec-
ności czynnika tkankowego, uwalnianego z uszko-
dzonych tkanek, działa na jądrzaste komórki podob-
ne do trombocytów. Aktywacja i agregacja komórek
prowadzi do utworzenia czopu hemostatycznego
bez udziału fibrynogenu. U minoga występuje pro-
sta kaskada krzepnięcia, prowadząca od czynnika
tkankowego do aktywacji protrombiny. Trombina,
pobudza trombocyty i dodatkowo uruchamia prze-
kształcanie fibrynogenu w fibrynę. Monomery fibry-
ny stanowią mostki dodatkowo spajające agregujące
trombocyty, a fibryna wzmacnia skrzep. U ssaków,
na przykładzie człowieka, występują silnie wyspecja-
lizowane, bezjądrzaste płytki krwi, bardziej złożona
kaskada krzepnięcia, prowadząca od czynnika tkan-
kowego do aktywacji protrombiny, oraz dodatkowo
pojawia się jeszcze szlak aktywacji krzepnięcia krwi
poprzez czynniki kontaktu.

EVOLUTION OF VERTEBRATE HEMOSTATIC SYSTEM

S u m m a r y

The extremely complicated systems of proteins

are a result of many series of duplications and shuf-

fling of domains in genomes of predecessors of

nowadays living creatures. Fibrinogen, a key blood

clotting protein, is characteristic only for verte-

brates. The protein could not be found in chordates

like lancelet or sea squirt by biochemical nor bioin-

formatic methods. It can be supposed that fibrin po-

lymerization triggered by thrombin occurred within

the 50–100-million-year time between the appear-

ance of protochordates and vertebrates. The whole

complicate system of haemostasis and its regulation

started to form about 450 million years ago. The

fully developed contact phase of blood coagulation

seems to be the latest evolutionary achievement of

mammals.

LITERATURA

a

ird

W. C., 2003.

Hemostasis and irreducible com-

plexity. J. Thromb. Haemost. 1, 227–230.

B

loMBack

B., 1996.

Fibrinogen and fibrin — pro-

teins with complex roles in hemostasis and

thrombosis. Thromb. Res. 83, 1–75.

c

ottrell

B. A., d

oolittle

R. F., 1976.

Amino acid

sequences of lamprey fibrinopeptides A and B

and characterizations of the junctions split by

lamprey and mammalian thrombins. Biochim.

Biophys. Acta 453, 426-438.

90

M

ichał

B. P

onczek

tional diversity of eukaryotic discoidin-like do-

mains. Biochim. Biophys. Acta 1774, 1069–1078.

l

iu

M., z

hang

S., 2009.

A kringle-containing prote-

ase with plasminogen-like activity in the basal

chordate Branchiostoma belcheri. Biosci. Rep.

29, 385–95.

ł

oPaciuk

S., B

iederMan

A., 2001

. Zakrzepy i zatory.

Wydawnictwo lekarskie PZWL, Warszawa.

P

onczek

M. B., g

ailani

D., d

oolittle

R. F., 2008.

Evolution of the contact phase of vertebrate

blood coagulation. J. Thromb. Haemost. 6, 1876-

1883.

P

utnaM

N. h., B

utts

t., F

errier

d. e., F

urlong

r. F.,

h

ellsten

u., k

aWashiMa

t., r

oBinson

-r

echavi

M.,

s

hoguchi

e., t

erry

a., y

u

J. k. i współaut., 2008.

The amphioxus genome and the evolution of

the chordate karyotype. Nature 453, 1064–1071.

W

eir

M. J., a

curero

z., s

alas

a. r., a

rteaga

-v

izcaino

M., 2004.

Blood coagulation factors in the black

headed vulture (Coragyps atratus), a potential

animal model for the study of haemostasis.

Thromb. Res. 113, 269–73.

z

hou

L., l

i

-l

ing

J., h

uang

h., M

a

F., l

i

Q., 2008.

Phy-

logenetic analysis of vertebrate kininogen genes.

Genomics 91, 129-141.

d

avidson

C. J., t

uddenhaM

e. g., M

cvey

J. h. 2003.

450 million years of hemostasis. J. Thromb. Ha-

emost. 1, 1487–1494.

d

oolittle

R. F., 1965.

Differences in the clotting

of lamprey fibrinogen by lamprey and bovine

thrombins. Biochem. J. 94, 735–741.

d

oolittle

R. F., 1993.

The evolution of vertebra-

te blood coagulation: a case of Yin and Yang.

Thromb. Haemost. 70, 24-28.

d

oolittle

R. F., J

iang

Y., n

and

J., 2008.

Genomic

evidence for a simpler clotting scheme in jaw-

less vertebrates. J. Mol. Evol. 66, 185–196.

d

oolittle

R. F., 2009.

Step-by-Step Evolution of Ver-

tebrate Blood Coagulation. Cold Spring Harb.

Symp. Quant. Biol. (w druku).

F

rost

C. L., n

aude

r. J., o

eloFsen

W., J

acoBson

B.,

1999.

Comparative blood coagulation studies in

the ostrich. Immunopharmacology 45, 75–81.

J

iang

Y., d

oolittle

R. F., 2003.

The evolution of

vertebrate blood coagulation as viewed from

a comparison of puffer fish and sea squirt ge-

nomes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 7527–

7532.

k

iedzierska

A., s

Mietana

k., c

zePczynska

h., o

tleW

-

ski

J., 2007.

Structural similarities and func-